磁電材料
關(guān)注創(chuàng)建者：放學(xué)你等著 創(chuàng)建時間：2018-08-23
磁電材料的實例教程
【引言】
為了獲得具有強(qiáng)室溫磁電響應(yīng)的磁電材料，研究人員發(fā)現(xiàn)壓電和磁性物質(zhì)之間的交叉相互作用可以在室溫下產(chǎn)生大的磁電響應(yīng)，正如在Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3/金屬玻璃等磁電復(fù)合材料中觀察到的現(xiàn)象。由于鐵電材料總是表現(xiàn)出壓電效應(yīng)，因此是磁電復(fù)合材料的理想選擇。然而迄今為止報道的磁電復(fù)合材料一般使用液晶、聚合物或無機(jī)鐵電體如PbZrxTi(1-x)O3制備，而利用分子-離子鐵電體構(gòu)建磁電復(fù)合材料尚未實現(xiàn)，盡管有許多分子-離子鐵電體的報道，且與無機(jī)鐵電體相比其具有較低毒性和易加工性的優(yōu)點。其中一個關(guān)鍵原因是迄今為止報道的大多數(shù)室溫分子離子鐵電體是單軸的，導(dǎo)致其壓電效應(yīng)僅能沿大單晶的單極軸檢測。相比之下，由于多軸分子-離子鐵電體具有多極軸，其壓電效應(yīng)不僅可以沿不同的鐵電軸檢測，而且可以多晶形式檢測。因此，多軸分子離子鐵電體將是磁電復(fù)合材料的優(yōu)良備選。
【成果簡介】
近日，廈門大學(xué)龍臘生教授、董新偉教授、趙海霞博士(共同通訊作者)等以具有室溫多軸分子-離子鐵電性的四丁基銨四氯鎵酸分子(化合物1)制備了磁電復(fù)合材料，并在Adv. Mater.上發(fā)表了題為“Construction of Magnetoelectric Composites with a Large Room-Temperature Magnetoelectric Response through Molecular-Ionic Ferroelectrics”的研究論文。
展開 【引言】
非均勻物理狀態(tài)的反轉(zhuǎn)具有重要的技術(shù)意義；例如，有源降噪依賴于反射聲波的發(fā)射，該反向聲波破壞性地干擾發(fā)射器的噪聲，并且通過使用磁場脈沖反轉(zhuǎn)自旋系統(tǒng)的演變使得能夠進(jìn)行磁共振斷層成像。與這些示例相反，材料內(nèi)的鐵磁或鐵電疇分布的反轉(zhuǎn)非常的困難：場極化產(chǎn)生單疇狀態(tài)，并且使用掃描尖端的逐件反轉(zhuǎn)是不切實際的。
【成果簡介】
今日，在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院M. Fiebig教授（通訊作者）團(tuán)隊的帶領(lǐng)下，與瑞士保羅謝爾研究所、德國波恩大學(xué)、瑞典斯德哥爾摩大學(xué)、法國皮卡第大學(xué)、日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)、日本東京大學(xué)、俄羅斯卡爾波夫物理化學(xué)研究所、奧地利維也納工業(yè)大學(xué)和挪威科技大學(xué)合作，分別報告了磁電材料Co3TeO6和多鐵材料Mn2GeO4中的整個鐵磁和鐵電疇圖案的反轉(zhuǎn)。在這些材料中，施加的磁場分別反轉(zhuǎn)每個域的磁化或極化，但保留域圖案完整。Landau理論表明，這種類型的磁電反轉(zhuǎn)在具有復(fù)雜排序的材料中是通用的，其中一個有序參數(shù)保持域結(jié)構(gòu)的記憶，而另一個設(shè)置其整體符號。域模式反轉(zhuǎn)只是多重鐵氧體(multiferroics)等系統(tǒng)中以前未被注意到的效應(yīng)的一個例子，其中多個有序參數(shù)可用于組合。 因此，探索這些效應(yīng)可以將多鐵性推進(jìn)到新的功能水平。相關(guān)成果以題為“Magnetoelectric inversion of domain patterns”發(fā)表在了Nature上。
展開 近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院納米調(diào)控與生物力學(xué)研究室在多鐵材料納米力學(xué)性能表征領(lǐng)域
取得重要進(jìn)展，提出了一種能夠同時表征多鐵納米材料納米尺度壓電性能和力學(xué)性能的技術(shù)。相關(guān)成果發(fā)表在固體力學(xué)頂級期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids（
一區(qū)，影響因子3.566）上。論文第一作者是深圳先進(jìn)院客座博士研究生朱慶豐。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509618310160?via%3Dihub
多鐵材料是一種同時具有鐵彈、鐵電、鐵磁兩種或兩種以上序參數(shù)耦合的多功能材料。多鐵磁電材料能展現(xiàn)出獨特的磁電耦合效應(yīng)，其在傳感器、多態(tài)存儲、自旋電子器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。多鐵納米材料由于能夠促進(jìn)電子器件的多功能化、集成化及微型化，近年來受到廣泛的關(guān)注和研究。
多鐵納米材料器件應(yīng)用時，其納米尺度力學(xué)和壓電性能起著至關(guān)重要的作用，一方面是由于磁電耦合效應(yīng)源于復(fù)合材料內(nèi)部應(yīng)力的傳遞，另一方面這一應(yīng)力也可能會導(dǎo)致材料的疲勞甚至損壞，直接關(guān)聯(lián)著器件的性能。因此，用納米尺度同時表征多鐵復(fù)合材料力學(xué)和壓電性，既是理解多鐵復(fù)合材料磁電耦合行為的關(guān)鍵，又是優(yōu)化增強(qiáng)復(fù)合材料磁電耦合性能的基礎(chǔ)，然而當(dāng)前缺乏相應(yīng)的表征技術(shù)。
展開 之前人們已經(jīng)在一些材料系統(tǒng)探索了用電場控制磁性的可能性，包括鐵磁（FM）金屬、稀磁半導(dǎo)體、多鐵性和磁電（ME）材料. 而最近發(fā)現(xiàn)的二維（2D）范德華磁體為通過范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件平臺在納米尺度上對磁性進(jìn)行電控制開辟了一扇新的大門。
【成果簡介】
近日，來自Cornell University的物理系的麥建輝(通訊作者)和應(yīng)用與工程物理學(xué)院的單潔 (共同通訊作者)聯(lián)合團(tuán)隊的姜生偉（第一作者）在 Nature Materials發(fā)表了題為Electric-field switching of two-dimensional van der Waals magnets的文章，首次在晶體結(jié)構(gòu)為中心反演對稱的雙層CrI3中發(fā)現(xiàn)了完全由自旋序(spin order)控制的磁電耦合效應(yīng)，并且磁電耦合系數(shù)達(dá)到了110ps/m，超過了絕大多數(shù)單相磁電耦合材料。由于巨大磁電耦合系數(shù),外加較小電壓就能產(chǎn)生30%的飽和磁矩，利用該效應(yīng)可以實現(xiàn)對材料磁性連續(xù)可逆地產(chǎn)生與翻轉(zhuǎn)。該文章被nature materials新聞觀點作為亮點報道。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1：雙層CrI3的晶體結(jié)構(gòu)和磁性相圖
a: 單層CrI3的頂視圖與側(cè)視圖；
b: AFM雙層CrI3由具有反鐵磁層間耦合的兩個FM單層組成；
c: 溫度與的磁場的函數(shù)，插圖描繪了不同磁場下雙層CrI3的磁性基態(tài)；
d: 雙層CrI3中的磁序的相圖。
圖2：AFM雙層CrI3中的線性磁電效應(yīng)
a: MCD信號作為磁場在4K的代表性電場下的函數(shù)；
b: 面磁矩的相對和絕對變化；
c: 自旋翻轉(zhuǎn)相變的臨界磁場和施加電場函數(shù)。
圖3：雙層和單層CrI3的磁電響應(yīng)
對于雙層CrI3，通過在0.8V nm-1和0V nm-1下減去M-H曲線獲得ME響應(yīng)。
展開 15.超材料
突破性：具有常規(guī)材料不具有的物理特性，如負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)介電常數(shù)等。
發(fā)展趨勢：改變傳統(tǒng)根據(jù)材料的性質(zhì)進(jìn)行加工的理念，未來可根據(jù)需要來設(shè)計材料的特性，潛力無限、革命性。
主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：波音公司，Kymeta公司，深圳光啟研究院等
16.超導(dǎo)材料
突破性：超導(dǎo)狀態(tài)下，材料零電阻，電流不損耗，材料在磁場中表現(xiàn)抗磁性等。
發(fā)展趨勢：未來如突破高溫超導(dǎo)技術(shù)，有望解決電力傳輸損耗、電子器件發(fā)熱等難題，以及綠色新型傳輸磁懸技術(shù)。
主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：日本住友，德國Bruker，中科院等。
17.形狀記憶合金
突破性：預(yù)成型后，在受外界條件強(qiáng)制變形后，再經(jīng)一定條件處理，恢復(fù)為原來形狀，實現(xiàn)材料的變形可逆性設(shè)計和應(yīng)用。
發(fā)展趨勢：在空間技術(shù)、醫(yī)療器械、機(jī)械電子設(shè)備等領(lǐng)域潛力巨大。
主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：有研新材等
18.磁致伸縮材料
突破性：在磁場作用下，可產(chǎn)生伸長或壓縮的性能，實現(xiàn)材料變形與磁場的相互作用。
發(fā)展趨勢：在智能結(jié)構(gòu)器件、減震裝置、換能結(jié)構(gòu)、高精度電機(jī)等領(lǐng)域，應(yīng)用廣泛，有些條件下性能優(yōu)于壓電陶瓷。
主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：美國ETREMA公司，英國稀土制品公司，日本住友輕金屬公司等
19.磁（電）流體材料
突破性：液態(tài)狀，兼具固體磁性材料的磁性，和液體的流動性，具有傳統(tǒng)磁性塊體材料不具備的特性，和應(yīng)用。
發(fā)展趨勢：應(yīng)用于磁密封、磁制冷、磁熱泵等領(lǐng)域，改變傳統(tǒng)密封制冷等方式。
主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：美國ATA應(yīng)用技術(shù)公司，日本松下等。
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磁電材料的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
磁電材料的最新內(nèi)容
隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，人們對自旋電子學(xué)器件的低功耗、高密度和高集成度提出了更高的要求，因此針對材料磁電性能調(diào)控機(jī)制的研究與相關(guān)器件的設(shè)計
主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：美國ETREMA公司，英國稀土制品公司，日本住友輕金屬公司等
19.磁（電）流體材料
突破性：液態(tài)狀，兼具固體磁性材料的磁性，和液體的流動性，具有傳統(tǒng)磁性塊體材料不具備的特性，和應(yīng)用。
發(fā)展趨勢：應(yīng)用于磁密封、磁制冷、磁熱泵等領(lǐng)域，改變傳統(tǒng)密封制冷等方式。
因此，用納米尺度同時表征多鐵復(fù)合材料力學(xué)和壓電性，既是理解多鐵復(fù)合材料磁電耦合行為的關(guān)鍵，又是優(yōu)化增強(qiáng)復(fù)合材料磁電耦合性能的基礎(chǔ)，然而當(dāng)前缺乏相應(yīng)的表征技術(shù)。
對磁電層壓復(fù)合材料的磁電效應(yīng)研究表明，其室溫磁電壓系數(shù)(αME)在HDC = 275 Oe和HAC頻率約為39 kHz時高達(dá)186 mV·cm-1·Oe-1。該研究結(jié)果為磁電材料的制備提供了有效的方法，并為磁電材料系列中增加一種新成員。
Fiebig教授（通訊作者）團(tuán)隊的帶領(lǐng)下，與瑞士保羅謝爾研究所、德國波恩大學(xué)、瑞典斯德哥爾摩大學(xué)、法國皮卡第大學(xué)、日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)、日本東京大學(xué)、俄羅斯卡爾波夫物理化學(xué)研究所、奧地利維也納工業(yè)大學(xué)和挪威科技大學(xué)合作，分別報告了磁電材料Co3TeO6和多鐵材料Mn2GeO4中的整個鐵磁和鐵電疇圖案的反轉(zhuǎn)。在這些材料中，施加的磁場分別反轉(zhuǎn)每個域的磁化或極化，但保留域圖案完整。
之前人們已經(jīng)在一些材料系統(tǒng)探索了用電場控制磁性的可能性，包括鐵磁（FM）金屬、稀磁半導(dǎo)體、多鐵性和磁電（ME）材料. 而最近發(fā)現(xiàn)的二維（2D）范德華磁體為通過范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件平臺在納米尺度上對磁性進(jìn)行電控制開辟了一扇新的大門。
